输油臂智能化自动对接系统方案研究

王红宾，杨献鹏，韩锋，张素杰，范华勇

（1.青岛港国际股份有限公司，山东 青岛 266500；2.青岛实华原油码头有限公司，山东 青岛 266400；3.山东青东管道有限公司，山东 东营 257345）

1 项目背景

输油臂作为港口装卸石油及其他流体的主要设备，处于整个流体装卸领域的核心地位。目前，其机械结构设计较为完善，但还沿用传统手动对接的操作模式。输油臂作业环境为复杂的户外条件，因存在天气、光线、船舶种类以及船舶靠岸时姿态不稳定等诸多不确定因素，尤其在目标管口识别与精准定位方面给输油臂对接过程自动化带来了巨大的挑战。

同时，随着生产需求剧增，用工成本增加以及智慧港口建设的需要，传统输油臂的操作模式，不仅工作效率低，耗费时间长，而且操作人员在作业过程中由于复杂的作业环境存在非常大的安全隐患，所以低效率的传统作业方式亟需一条变革之路，因此研发一套能够高效完成输油臂对接的系统具有重要的意义。

2 项目总体架构

本次输油臂智能化自动对接系统的核心技术拟采用人工智能、工业视觉测量、运动规划控制和雷达扫描感应避障，工业视觉测量和雷达避障在制造业、服务业、医疗保健、国防等各领域已得到广泛应用，其可靠性和稳定性已被验证。系统设计的基本工作原理是通过大靶面工业相机摄取前端物体的图像信号传送给智能边缘计算主机进行图像处理，图像处理系统对图像信号进行运算，建立码头、输油臂和船舶输油口的三维空间关系，实时计算出输油臂的空间定位和输油臂法兰与船方法兰的对准数据，并将运算数据推送到主控调度运算服务器，主控调度运算服务器根据输油臂的空间定位和对接数据规划输油臂的运动轨迹，驱动输油臂进行自动对接。雷达高频率扫描捕捉物体提供可靠避障数据与工业视觉测量算法相互校验，避免了因外在环境原因导致图像异常引发计算失误。同时，码头安装2 套视觉测距工业相机，通过深度学习算法和测距视觉算法实时计算船舶的横向位移，为输油臂的自动对接提供基础数据。

3 研究方案

3.1 输油臂工作原理

输油臂系统由输油臂本体、电气控制系统、液压控制系统三部分组成。本体主要由底座、立柱、内臂、外臂、工艺管线、绳轮系统、驱动液压缸、三维接头等部分组成，结构图见图1。作业时，码头操作人员首先进行设备安全检查，然后接通设备电控系统，通过遥控器启动液压油泵，通过控制液压系统各部位电磁阀的开关，操控输油臂进行内外臂伸缩、俯仰、转向等动作。输油臂前端到达船方法兰接口后，操作人员控制外臂前端的卡爪（快速连接器）与船方法兰完成对接，即可实现船、岸之间的油品输送。[1]

图1 输油臂结构图

3.2 硬件部分

输油臂智能化自动对接系统主要由电控驱动部分、卫星定位部分、视觉定位部分、安全管控部分、路径规划部分和视觉对准部分等组成。卫星定位部分主要实时计算输油臂快速连接器的空间定位；视觉定位部分主要计算船舶输油口的空间定位；安全管控部分采用毫米波雷达，安装在输油臂前端的支架上，能够准确地探测周围物体的距离信息，探测误差最高可达毫米级，可以实现机械臂行动时有效避免碰撞到周围物体，提高系统整体安全性、可靠性和稳定性。

电控驱动部分：采用CAN 协议进行传输，模块化继电器控制电磁阀，抗干扰能力强，稳定性高。

卫星定位部分：采用测绘行业的实时动态载波相位差分技术RTK 方式进行精准定位[2]。经测试验证空间定位误差可达1cm。RTK 系统由基准站子系统、管理控制中心子系统、数据通信子系统、用户数据中心子系统、用户应用子系统组成。

视觉定位部分：成熟应用于船舶运动的立体视觉算法，精准计算船舶输油口的空间坐标。

数据采集部分：采用嵌入式系统，霍尔角度传感器，稳定可靠全天候运行。

安全管控部分：采用毫米波雷达防碰、机械限位传感器，保障设备安全。

路径规划部分：建立统一直角坐标系，规划路径轨迹，驱动输油臂运动。

视觉对准部分：通过视觉定位，计算输油臂快速连接器和输油口对准数据。

3.3 机器视觉部分

为了确定图像中的像素点与现实三维空间位置之间的对应关系，需要建立相机成像的几何模型，这个过程被称为相机标定。相机标定包括相机内参标定和相机外参标定。内参主要用来表示像素坐标系与相机坐标系之间的关系，外参主要用来表示相机坐标系与世界坐标系之间的关系。利用相机内外参完成目标物成像坐标系到世界坐标系的转换，从而实现对目标物体三维空间的定位，即通过相机采集客观世界中物体的图像，通过获取物体在图像中的位置信息，进行坐标变换，可获得目标物体在客观世界中的位置坐标。

3.4 自动对接部分

3.4.1 运动建模

输油臂可以抽象为一系列关节和连杆的顺序组合，关节处产生旋转或滑动使得输油臂末端到达指定位置，对输油臂进行运动学建模就是描述输油臂各个连杆之间的相对位置和方向关系。在输油臂每个连杆上建立一个坐标系，通过确定每一关节与下一关节之间的所有齐次坐标变换，求得输油臂末端与底座的姿态关系即可以实现对输油臂的控制。在本系统中，在已知目标位置的情况下，控制输油臂到达指定位置，需要根据位置信息求解全部关节变量的值，即求解其逆运动学方程。

3.4.2 自动对接流程

第一步：部署视觉伺服的输油臂智能化自动对接系统，系统由智能运算主机、电控模块、数据采集模块、卫星差分定位模块、立体视觉定位模块及雷达防碰模块等组成；第二步：在码头处安装立体视觉定位相机，通过深度学习算法和立体视觉算法，即时测量当前船舶输油口的空间坐标；第三步：通过输油臂的主轴增加的角度传感器，即时采集输油臂各轴臂的精准姿态和位置；通过在输油臂液压总站的电磁阀控制系统增加电控驱动电路，驱动输油臂的外臂、内臂、旋转和接头的进行移动；第四步：利用快速连接器上安装的北斗GPS 模块，通过差分定位技术精确测出快速连接器的空间坐标；第五步：建立空间直角坐标系，将输油口的空间坐标系和输油臂快速连接器的空间坐标系进行统一转换，使得两者在同一坐标系中；通过路径规划算法，输油臂自动对接系统驱动输油臂将快速连接器移动到距离船舶输油口50cm 处；第六步：采集快速连接器上工业相机的空间坐标，通过视觉算法判断是否与船方输油口对准，并缓慢驱动输油臂使得快速连接器与输油口对准，对准后控制抓手抓紧船舶输油口。

4 结语

综上所述，目前的输油臂智能化自动对接系统在使用时，首先，将处理所拍摄到的图片，完成目标物的颜色识别和形状识别并定位，得到标定点；其次，将识别目标物的位置信息发送给智能控制单元；最后，通过标定点的位置和目标点的位置坐标差进行处理，以实现输油臂对接口移动到目标点并进行微调对准，使输油臂完成自动对接。如遇大风大浪天气，为保证输油臂与船舶输油口对接的准确性，保留原有的人工对接的方式[3]；输油臂智能化自动对接系统的建设，改善了传统人工对接方式，提高了输油作业的工作效率，节省了操作人员的劳动力，进一步加强了输油臂与船舶对接的稳定性和精准性，为我国智慧港口的建设贡献了技术力量和提供支持。

注释：输油臂上安装设备均满足安全防爆要求[4]。